國際排放法對船舶動力系統技術提升的要求與對策*

曾慶東

(武漢理工大學研究生院 武漢 430070)

國際排放法對船舶動力系統技術提升的要求與對策*

曾慶東

(武漢理工大學研究生院 武漢 430070)

船舶動力系統在為船舶提供動力的同時，也是船舶溫室氣體及有害物質排放的主要源頭.2013年，國際海事組織(IMO)對船舶動力系統降低排放提出嚴格的法規要求.文中在對該法規及其國外主要應對措施進行綜述的基礎上，進一步分析了我國船舶動力系統技術存在的問題，提出了相關對策建議.

國際排放法;船舶動力系統;NOx;SOx

0 引 言

國際海事組織的研究報告認為，目前全球航運業燃油消耗量每年大約為20億桶，CO2排放超過12億t，約占全球總排放量的6%.到2020年，溫室氣體排放量將在目前的基礎上增加75%.

對NOx減排的要求，國際防止船舶污染公約提出分2階段實現NOx減排的目標[1].國際海事組織第二階段(IMO Tier II)要求在2011年1月1日之后建造的船舶，所安裝發動機的NOx排放限值將根據速度關聯函數，比第一階段(IMO Tier I)的水平減少大約20%.第三階段(IMO Tier III)則要求在2016年1月1日之后建造船舶安裝的發動機NOx排放限值比IMO Tier I減少80%.

對SOx排放的要求，IMO將波羅地海和北海等規定為SOx排放控制區(SECA).在此區域中，從2010年起僅能使用含硫量不超過1.0%的燃油；從2015年起，船舶燃油中的含硫量限額為0.1%.

對PM排放限制，以中速機為例，現行的要求是PM<0.27 g/(kW·h)，從2013年起，要求PM<0.14 g/(kW·h)，而從2016或2017年起，則要求 PM<0.04 g/(kW·h).

據統計，中國近10年已建造的主力船型(集裝箱船、油船和散貨船)中，約有50%不能滿足IMO船舶能效指數的要求.且中國的船用燃油中的硫含量接近3.5%，而要降低到國際排放法規所規定的0.1%～0.5%，需要增加燃油成本約500元/t.隨著船舶噸位不斷增大，燃油價格不斷上漲，排放法規日益嚴格，我國船舶制造業正面臨前所未有的挑戰.

1 應對國際排放法規的關鍵技術與國外發展趨勢研究

動力系統是船舶的心臟，承擔著為船舶航行、作業和使用提供能量和動力的任務.因柴油機在可靠性、安全性以及經濟性上具有明顯優勢，目前船舶動力系統原動機95%以上采用柴油機，因而船舶溫室氣體及NOx,SOx等有害物質排放的主要源頭是船舶柴油機.

為應對日益嚴格的國際排放法規，世界各國不斷加大技術研發力度，通過技術創新提高船用柴油機節能、環保方面的性能，并不斷開發新產品.在改善柴油機燃料高效燃燒過程、排放控制及尾氣后處理技術、新型替代燃料，以及船舶動力能量綜合利用技術等開發與應用方面，一些國際知名的研究機構及船舶柴油機廠商進行了大量技術創新，積累了豐富的經驗并取得了突破性進展.

1.1 高效燃燒技術

在不降低船用柴油機功率的前提下，提高船用柴油機節能、環保性能最根本的方式是改善柴油機的燃料燃燒過程.國外主要的柴油機生產廠商研發了系列技術來實現這一目標，如高增壓技術、高壓共軌燃油噴射技術、米勒循環技術等.

從2004年開始，歐洲委員會在其科技開發框架下與瑞士聯邦政府聯合實施“船舶超低排放燃燒的高效研發計劃項目(HERCULES)”，HERCULES計劃分3階段完成，即HERCULES-A，B，C，該項目以資助MAN B&W公司和Wartsila公司為主，包括發動機制造商、科研院所、船級社及用戶等，總預算達到8 000萬歐元.HERCULES計劃的目的是研究開發一系列提高發動機效率和可靠性，大幅度降低柴油機有害氣體和顆粒排放，同時降低油耗、CO2排放等的新技術，為滿足更加嚴格的國際排放法規提供技術支持，見圖1.

圖1 歐洲HERCULES計劃進度安排

1.2 排放控制和尾氣后處理技術

針對船舶NOx,SOx和PM的排放，IMO在2008年就通過了MARPOL73/78公約附則VI的修正案.因此，國外知名船舶柴油機研發機構紛紛開展尾氣后處理技術的研發，如廢氣再循環(EGR)、選擇性催化還原(SCR)、廢氣洗滌脫硫裝置等以減少有害氣體排放.

對于NOx排放，WARTSILA和MAN公司均已開展船舶選擇性催化還原(SCR)技術研究，并已經進入了裝船實際應用階段，相關產品已具有隨時推向市場的潛力.MAN公司首先開發的中速柴油機，能滿足IMO Tier III排放法規，主要通過加裝選擇性催化還原系統(SCR)來減少NOx排放，預計將于2016年前應用到其產品上.

對于SOx的排放，IMO要求在2015年起船舶在SOx排放控制區(SECA)航行或停泊時，船上使用的燃油硫含量不超過0.1%，或采用經批準的等效方法使排氣中SOx達到規定要求[2].要滿足這些要求，主要有3種途徑：使用含硫量不超過0.1%的低硫燃料，使用LNG發動機和加裝廢氣洗滌脫硫裝置(EGC).由于低硫燃油的成本及LNG發動機的技術等問題，廢氣洗滌脫硫裝置已經成為解決船舶SOx排放問題的一個重要技術路徑.WARTSILA，MAN和Aalborg等公司均已針對船舶SOx排放進行了廢氣洗滌脫硫相關裝置產品的開發，在技術上已相對成熟，并且已有一定量的船舶安裝了該后處理裝置.

對于PM排放，目前主要采用2種解決方案[3]，一種是通過使用選擇性催化還原(SCR)技術，利用尿素溶液對尾氣中的氮氧化物進行處理；另一種是通過微粒捕集器(DPF)或氧化催化轉換器(DOC)，針對燃燒產生的微粒進行處理的廢氣再循環(EGR)技術.

1.3 發動機動力系統能量綜合利用技術

通過發動機系統集成和能量回收利用技術，綜合利用改善發動機性能、提高可靠性，以及發動機系統效率、降低有害廢氣(NOx，CO2，SOx，PM等)的總排放量等，實現發動機的超低排放.

德國MAN Diesel公司開發了柴油機排氣能量利用系統，系統整體熱效率可達55%，可減少10%的燃油消耗和CO2排放.WARTSILA公司開發了高效排氣能量利用系統，該系統包括雙壓鍋爐、多級雙壓汽輪機、動力渦輪和軸帶電機等，系統熱效率可提高11.4%.冰島Marorka公司開發的能源管理系統能夠通過采用一系列優化和管理的手段對船只整體運行能效進行提高，幫助船舶運營企業節約能源和成本，提高管理水平和效率，同時減少有害氣體的排放，滿足IMO關于船舶能效管理計劃(SEEMP)和船舶能效設計指數(EEDI)的強制措施.

1.4 新型替代清潔燃料技術

通過改變發動機以石油燃料為主的結構，采用新型替代清潔燃料，達到減排的目標.

挪威船級社(DNV)發表的《實現低碳航運之路——2030年減排潛力》研究報告，分析了25種不同措施的減排效果及相對應的成本效益，結果表明，最有效的措施是將液化天然氣(LNG)作為船舶燃料，它幾乎可以100%減排SOx，減少85%～90%的NOx和15%～20%的CO2的排放，其低碳環保、成本低、安全系數高、符合國際排放標準等優勢明顯，預計天然氣動力船將在2015年左右大規模使用[4].

韓國現代重工采用稀燃技術研發出了功率高達9 620 kW的環保型氣體發動機.稀燃技術是通過加大發動機燃料混合氣中的空燃比，燃料能完全燃燒，也減少換氣損失，從而可降低油耗、提高功率，減少排放[5].與現有的柴油發動機相比，這臺大功率發動機減少了超過20%的CO2排放，NOx排放更是大幅減少97%.

德國MAN Diesel公司與韓國大宇造船集團合作，將低溫高壓氣體供應系統技術用于低速柴油機，從而研發出高壓天然氣船舶推進系統[6].該發動機是一種雙燃料低速柴油機，能以任何比例的燃油和天然氣混合作燃料.使用該推進系統的運輸船舶不僅能降低營運成本，同時也能減少污染物排放.該系統可降低23%的CO2排放，13%的NOx排放和92%的SOx排放.

2013年9月，阿拉伯航運公司(united Arab shiping Co，UASC)預定了10艘巨型集裝箱船，其中1.8萬TEU和1.4萬TEU船各5艘，這10艘巨型集裝箱船將具備隨時“油改氣”的能力，這使其成為第一家計劃選擇LNG船作為大型集裝箱船舶使用燃料的大型遠洋班輪公司.

2 我國船舶動力系統減排技術發展現狀研究

2.1 船舶動力系統主要設備技術相對落后，動力系統匹配不夠優化

我國船舶柴油機產品的整體研發水平，與國外知名先進柴油機公司相比還存在較大的差距，船舶柴油機主流產品均是國外專利許可證產品，技術的發展受制于人.我國自主研發的柴油機品牌正處于研發或市場開拓期，技術水平與國外先進柴油機存在差距，短期內難以支撐未來船舶對柴油機的需求，低速機更是缺乏核心技術.船舶動力系統匹配依賴經驗，沒有成熟的設計方法，難以根據不同用途、不同船型的需求進行系統層面的優化，各設備水平也制約了系統的優化.

2.2 排放后處理技術起步較晚，難以支持我國船舶動力系統的更新換代

國內船舶排放后處理技術的起步較晚，開展了廢氣再循環(EGR)、選擇性催化還原(SCR)等船舶后處理技術的研究，并進行了相關柴油機臺架試驗研究，但未開展針對具體船型的實際裝船試驗研究，影響了相關產品的產業化能力的形成.歐美等發達國家對船舶后處理系統技術開發及產業化進行了大量的科研投入，我國雖已經進行了一定的研究，但還沒有針對相關系統裝置的裝船應用及產業化進行系統研發.

2.3 清潔能源技術落后，尚不能為未來船舶提供高效動力

由于LNG等氣體燃料具有價格低、低碳和其他有害物低排放的優勢，已經逐步成為船舶動力重要的新型燃料，因此氣體機或雙燃料機技術已經成為船舶動力行業未來重要的發展方向[7].我國對氣體機和雙燃料機技術的研發起步較早，但由于我國低速柴油機技術目前主要依賴國外，技術水平不高，還不具備自主研制低速氣體機的條件，尚不能支撐未來船舶對高效動力的需求.

3 對我國船舶動力系統技術發展的建議

3.1 提升船用柴油機自主產品研發能力

我國已研究并掌握柴油機智能化控制單元的關鍵技術，具備開發自主知識產權的大功率船用發動機智能控制系統的能力，應進一步研究和開發船用發動機高壓共軌技術、高增壓技術、高效燃燒技術、排放控制等關鍵技術，以適應越來越嚴格的船舶排放法規要求.通過對國外最新一代許可證產品的引進、消化和吸收，聚焦我國船用柴油機自主研發所需要突破的核心關鍵技術，依據柴油機自主產品研發的創新鏈，整合優質資源，構建符合我國船用柴油機的技術現狀和發展基礎的自主研發體系，開展協同創新，逐步提升自主知識產權船用柴油機設計、關鍵技術研發以及核心配套件自主研制的綜合能力.

3.2 加快多種燃料發動機產品研發

由于氣體燃料的低成本和低排放等優勢，我國應重視并加強氣體發動機、雙燃料發動機及替代清潔燃料發動機設計開發，開發船用柴油機改造成多燃料或LNG發動機的缸內直噴、泄露控制、高效燃燒等關鍵技術，突破多燃料發動機系統匹配應用技術，努力形成實用產品.

3.3 提升船舶動力系統能量綜合利用水平

挪威船級社(DNV)、冰島MARORKAD公司等均推出了船舶能效管理的成熟產品，平均能提高能源效率3%～15%.我國應通過國際交流與合作，大力開展船舶動力系統能量綜合利用系統開發，研究電力和混合推進系統技術，掌握船舶動力系統集成關鍵設計技術和船舶航運最優運行策略，進一步減少有害排放物的總排放量和提高船舶動力系統的綜合效率，達到節能環保的目的.

4 結束語

世界船舶動力產業轉移演變的規律顯示，在市場低潮時期，正是產業格局發生重大變化的時期.日、韓等國船舶動力產業在石油危機、亞洲金融危機等國際重大事件中，尋找機遇，快速發展，成功進入了世界前列.此次金融危機，也使世界船舶動力產業中心加快了轉移，一些船舶動力產業發達國家由于成本等因素，已經逐步退出主流船舶動力產業市場，而我國船舶動力產業正在成長期，具有較大潛力和提升空間，如果不斷提高技術實力，完善產業體系，世界船舶動力產業有望加快向我國轉移的步伐.

[1]邢 敏.我國節能環保型船用發動機發展戰略的思考[J].金屬加工:冷加工,2012(17):7-9.

[2]吳春平，吳 剛，王曉琳.IMO極地規則和未來極地船舶發展趨勢分析造[J].造船技術,2014(2)：6-9.

[3]鄒宏偉，張林安，張 勵.倡導綠色造船，用SCR控制發動機廢氣排放[J].金屬加工:冷加工，2012(17):13-15.

[4]徐 偉.航運“氣化時代”漸行漸近[J].珠江水運,2013(20):60-61.

[5]陳清彬,詹志剛,林金英.船舶柴油機減排新技術方案研究[J].船舶工程,2011(4):44-48.

[6]賈 富,廉建秀.船舶柴油機節能新技術的研究[J].中國水運,2013(10):98-99.

[7]嚴新平.新能源在船舶上的應用進展及展望[J].船海工程,2010,39(6):111-115.

On Reqiurement of International Emission Law for Improvement of Ship Powertrain Technology and Countermeasures

ZENG Qingdong

(GraduateSchoolofWuhanUniversityofTechnology，Wuhan430063，China)

Ship power system provides power for the ship. Meanwhile ship power system is the prime source of emitting greenhouse gases and hazardous substance within the ship. In 2013, International Maritime Organization put forward strict legislation for lowering the emission from ship power system. The paper analyzes the existing problems of ship power system technology and proposes relative suggestions on the basis of the review of the legislation and countermeasures of foreign countries towards the legislation.

international emission law；ship power system; NOx;SOx

2015-01-20

*國家軟科學研究計劃項目資助(批準號:2011GXS4K074)資助

U676.3

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.027

曾慶東(1972- )：男，博士，副教授，主要研究領域為交通運輸安全